中國散裂中子源快循環同步環形加速器橫向準直器上質子束流損失造成的中子場分布

董啟凡，敬罕濤，許守彥，劉 磊，余潔冰，譚志新

(散裂中子源科學中心，東莞523803；中國科學院高能物理研究所，北京100049)

中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS)裝置是一個大型綜合性中子科學實驗平臺和能開展多學科研究的國家大科學裝置[1-5]。2018年8月，CSNS裝置正式竣工并通過國家驗收。當前，CSNS裝置已達到設計指標，打靶質子束流能量為1.6 GeV，束流功率為100 kW，重復頻率為25 Hz。CSNS裝置由1臺高功率直線加速器(linear accelerator，LINAC)、1臺快循環同步環形加速器(rapid cycling synchrotron, RCS)和1座靶站組成。圖1為CSNS裝置的布局。CSNS裝置還規劃了高能質子應用區(high-energy proton experimental area， HPEA)，可開展質子束與繆子束的應用研究。

CSNS RCS是CSNS裝置的第二級加速器，主要作用是將經過LINAC的80 MeV中能質子束團進行累積和加速。每個脈沖周期對質子束團的操作可分為多圈注入、束團加速和引出3個階段。首先，采取剝離多圈方式注入中能負氫離子束，累積完成2個高功率質子束團；隨后，中能質子束團在加速腔被不斷加速，約20 ms后，質子束團能量被加速到1.6 GeV附近；最后，使用1組快引出磁鐵將質子束流從環中引出打靶，每個引出脈沖的質子數約為1.56×1013。CSNS RCS為4折對稱設計，上下2個長直線節分別用于注入和引出；左邊直線段為加速段；右邊直線段用于質子束流橫向準直[6]、切除大角度束暈粒子及控制束流發射度。同時，將接受度外的質子損失在指定位置，可對損失質子進行集中屏蔽，控制整個加速器隧道內的活化劑量，便于束線上設備的維護。

圖1 CSNS裝置的布局Fig.1 Layout of CSNS facility

1RCS橫向束流準直系統

圖2為RCS橫向束流準直系統示意圖。RCS橫向束流準直采用了二級準直系統設計，由1個主準直器和4個次級準直器構成。在RCS環中，由于空間電荷效應的影響，束流發射度增加緩慢。這些束暈粒子占比很小，直接碰到主準直器。主準直器的刮束片為鎢金屬薄片，對與其碰撞的束暈粒子提供大角度散射而不直接吸收或引起粒子明顯的能量損失，使被散射粒子更易于被下游的次級準直器吸收；次級準直器是由石墨和金屬材料組成的吸收體，束流發射度大于主準直器的接受度。這樣的準直系統被稱為二級準直系統，主準直器和次準直器分別稱為“切刮器”和“吸收器”。主準直器的接受度控制為350π～400π mm·mrad，次準直器的接受度為420π mm·mrad[7]。

圖2 RCS環上橫向束流準直系統示意圖Fig.2 Transverse collimation system on RCS ring

中能負氫離子束流被剝離并多圈注入到RCS環中后，經約20 ms的加速后，能量從80 MeV達到1.6 GeV，然后被引出。注入和加速過程中，大角度的質子被主準直器刮掉，在準直系統附近損失，并與刮束片、真空管壁和屏蔽體發生核反應，產生中子、γ及其他本底粒子。由于中子有很強的穿透能力及屏蔽體對高能中子有慢化作用，屏蔽體附近以寬能譜的中子場為主。由于RCS是脈沖型加速器，質子束流損失具有很短的脈沖結構，本文首次分析了CSNS準直器中子場的時間結構。具有時間結構的寬能譜白光中子場在輻照效應及探測器測試等方面有很好的應用前景。

2中子場分析

2.1質子束流損失情況

CSNS RCS的工作頻率為25 Hz，在準直器附近布置有束流損失探頭。當RCS工作在100 kW時，束流損失探頭對質子損失測量發現，質子束流損失具有很強的時間關聯性，并不是周期內平均損失。由于注入期間和高能加速期間質子的損失都比較小，與2.4～5.0 ms期間的束流損失相比，可忽略不計，所以本文只研究2.4～5.0 ms期間的束流損失情況。圖3為橫向準直系統上質子束流損失與時間和質子能量的變化關系。由圖3可見，當質子束被加速到130 MeV附近時，束流損失最多，隨后逐漸下降。基于此配置的運行狀態下，束流損失的時間關系固定，損失質子造成的中子場隨時間的變化關系也是確定的。根據束流損失監測探測器測量的結果，損失的質子束流總功率約為260 W。

圖3 橫向準直系統上質子束流損失隨 時間和質子能量的變化關系Fig.3 Proton beam loss of the collimator system vs. time and proton energy

橫向準直系統主準直器的刮束板采用厚度為0.17 mm鎢片，后面接銅板，起到將熱量從真空盒內導出真空盒外的散熱作用。由圖3可見，每個脈沖周期內損失質子的能量基本小于200 MeV。由于鎢片散射角較大，因此束暈粒子被散射后發射度增大。這部分質子在銅中射程最大約為43.5 mm，能被下游次級準直器中的銅塊吸收。

FLUKA是一種用來模擬粒子和物質相互作用過程及輸運的蒙特卡羅模擬程序，能模擬包括質子、中子、電子和重離子在內的60余種粒子在固體、液體及氣體中的輸運和相互作用過程[8]。本文采用FLUKA程序模擬RCS中準直器附近的質子束流損失過程，計算得出束流損失產生的中子場的分布、時間結構和能譜等。圖4為利用FLUKA程序模擬給出的質子束流損失隨時間和質子能量的變化關系及雙高斯函數擬合曲線。

圖4 FLUKA程序模擬給出的束流損失隨時間和 質子能量的變化關系及雙高斯函數擬合曲線Fig.4 Proton beam loss vs. time and proton energy and the fitting curve of double Gaussian function simulated by FLUKA code

2.2準直器幾何結構

橫向準直系統由主準直器和4套次級準直器組成。由圖3可見，主要損失的質子為130 MeV附近的中能質子。這部分的質子在主準直器鎢刮束片中的射程約為15 mm，不會將太多能量沉積到刮束片上，而是很容易穿過鎢刮束片被大角度散射，損失在主準直器下游。這和附近監測探頭測得數據一致。因此，模擬過程中，本文簡化幾何模型，主要構建主準直器的鎢刮束片、下游首個次準直器的銅吸收體及附近的屏蔽體，如圖5所示。其中，鎢刮束片距管道中心為5.4 cm；上下鎢片和左右鎢片在縱向方向上的距離為3.3 cm。

主準直器的刮束片為0.17 mm厚的鎢片，下游為次準直器的銅吸收體。真空管外部為厚度為60 cm鐵屏蔽體；再外部為厚度為20 cm的混凝土屏蔽體，其中，混凝土材料中各元素的質量分數：w(H)為1%；w(C)為 0.1%；w(O)為52.9%；w(Na)為1.6%；w(Mg)為0.2%；w(Al)為3.4%；w(Si)為33.7%；w(P)為1.3%；w(Ca)為4.4%；w(Fe)為1.4%。詳細幾何參數如表1所列。

(a)Front view

(b)Top view

表1 準直器的主要結構及尺寸Tab.1 Structure and size of primary collimator

2.3在準直器屏蔽體外中子場的能譜和時間結構

2.3.1中子注量率和能譜

實驗測得RCS正常運行下，重復頻率為25 Hz，主準直器附近的束流損失功率約為260 W。主準直器中，主要有鐵屏蔽體和混凝土屏蔽體，通過實驗數據和軟件模擬，分別得到屏蔽體外邊緣的中子注量率和能譜。圖6為FLUKA模擬得到的屏蔽體外邊緣中子注量率隨能量的變化關系。本文各粒子注量率和能譜都以圖5(b)所示的2 m長束流管道為模型所得。由圖6可見，在鐵屏蔽體外邊緣，中子的總注量率為8.217×105cm-2·s-1；鐵屏蔽體表面的中子能譜峰值在0.02 MeV左右，中子在0.01～0.4 MeV范圍內最多，同時鐵的共振峰非常清晰；混凝土屏蔽體表面的中子能譜峰值大約在0.05 eV處，中子大多集中在熱中子能區。由圖6(a)和圖6(b)的對比可見，混凝土屏蔽體顯然起到慢化能量較高中子的作用，且中子總注量率也比進入混凝土屏蔽體前少了1個量級，為5.101×104cm-2·s-1。

(a)Fe

(b)Concrete

2.3.2中子場的能量-時間分布

由于RCS為脈沖型加速器，因此，預計中子場分布有時間結構。從注入到引出前的每個脈沖周期內，質子束流在RCS環里每一圈都會有相應的束流損失。質子束團在環里每次經過主準直器的損失，如圖4所示。在FLUKA的用戶接口SOURCE程序中，把測量得到的數據歸一到質子束流損失總功率，直接進行質子能量和時間的關聯抽樣，利用抽樣質子束直接轟擊主準直器，在混凝土外邊界和鐵外邊界分別設置虛擬探測器，在一個完整的加速周期內統計2個位置的中子場的分布，得到混凝土屏蔽體表面中子注量率隨時間的變化關系，如圖7所示。由圖7可見，中子場的時間分布呈振蕩分布，在3.1 ms附近注量率最高。

圖7 混凝土屏蔽體表面中子注量率隨時間的變化關系Fig.7 The neutron fluence rate on the surface of the concrete shielding body vs. time

如再考慮中子能量的分布，就得到混凝土表面中子能量隨時間的變化關系，如圖8所示。由圖8可見，中子能量集中分布在3.1 ms (0.05 eV)附近，且時間分布呈現振蕩分布，能量分布呈單一峰值分布。這是因為質子具有時間結構，由束流在RCS環中每圈的時間所決定，所以得到的中子也具有類似的振蕩結構。又因為鐵屏蔽體和混凝土屏蔽體對中子的慢化作用，所以中子的時間結構與質子束流的時間結構不同。

圖8 混凝土表面中子能量隨時間的變化關系Fig.8 The neutron energy of concrete surface vs. time

2.4其他本底粒子

由于損失的質子能量已較高，因此，除與束流管及屏蔽體等發生核反應產生中子外，質子也會通過電離及次級的級聯過程產生大量的γ和正負電子等，因此，屏蔽體外是一個混合場。通過FLUKA模擬可得到混凝土屏蔽體表面除中子外其他幾個主要本底粒子的注量率，φγ為4.813×104cm-2·s-1；φe-為5.706×102cm-2·s-1；φe+為46.97 cm-2·s-1。圖9為混凝土屏蔽體表面幾種粒子的注量率隨粒子能量的變化關系。由圖9可見，中子是最主要組成成分；γ的強度與中子非常接近；電子和正電子占比較低；在中子輻照和標定實驗中一般可忽略。

圖9 混凝土屏蔽體表面幾種粒子 的注量率隨粒子能量的變化關系Fig.9 The neutron fluence rate of several kinds of particles on the surface of concrete shielding body vs.time

3總結和展望

本文利用蒙特卡羅模擬軟件FLUKA對CSNS RCS中主準直器的中子場分布進行了計算和分析，得到中子在鐵屏蔽體和混凝土屏蔽體表面的總注量率、能譜和時間分布及其他次級粒子能譜。由混凝土外邊緣和鐵屏蔽體外邊緣的中子能譜和注量率的結果對比可見，屏蔽體阻擋和慢化了中子，使中子注量率減小且能譜分布向低能方向轉移。由中子的能量和時間分布結果可見，當前準直器附近的中子場有顯著的時間結構，呈振蕩分布，脈沖時間間隔與質子束在環內跑每圈的時間相對應，時間寬度約為125 μs。

本文首次對國內外同類裝置質子束流損失所造成中子場的時間相關性進行研究，發現熱中子場具有很好的時間結構，可用于快響應的中子探測器測試并開展一些脈沖中子的應用拓展、中子劑量測量、輻射防護應用和低劑量的中子輻照實驗研究。